基于MQTT技術(shù)的智慧工地噴淋控制系統(tǒng)的設(shè)計

唐詠 祝驊

關(guān)鍵詞：智慧工地；噴淋系統(tǒng)；MQTT

1 背景

當(dāng)前，我國城鎮(zhèn)化速度不斷加快，移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、BIM、監(jiān)控模擬等新興技術(shù)在城市級的應(yīng)用，已經(jīng)從技術(shù)層面轉(zhuǎn)向運營管理，在這樣的背景下，各行各業(yè)開始轉(zhuǎn)型升級，運用科學(xué)技術(shù)進行數(shù)字化賦能。在建筑施工領(lǐng)域，智慧工地應(yīng)運而生[1]。2020年5月6日，江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布《關(guān)于推進智慧工地建設(shè)的指導(dǎo)意見》（蘇建質(zhì)安〔2020〕76號文），提出了“采集、集成和應(yīng)用散落在項目、企業(yè)、政府等各個層級的建筑施工海量數(shù)據(jù)，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)助力建筑產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、信息化變革，驅(qū)動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，建設(shè)形成涵蓋現(xiàn)場應(yīng)用、集成監(jiān)管、決策分析、數(shù)據(jù)中心和行業(yè)監(jiān)管等五個方面內(nèi)容的智慧工地?！钡囊骩2]。

在建筑工程領(lǐng)域，在土方開挖、地下室、主體結(jié)構(gòu)以及裝飾裝修等施工階段均會產(chǎn)生不同程度的施工揚塵污染，如何合理監(jiān)測并控制施工揚塵既是施工企業(yè)的本職工作，也是社會民眾關(guān)注的焦點[3]。工地?fù)P塵是城市空氣污染的主要來源之一，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智慧工地的揚塵控制提供了有力工具，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對建筑工地內(nèi)部及周邊環(huán)境的揚塵數(shù)據(jù)進行檢測，通過大數(shù)據(jù)分析，制定抑制策略。根據(jù)河海大學(xué)公共管理學(xué)院施嘉怡的研究，在南京市8個工地進行調(diào)研，在11項抑制揚塵的措施中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能監(jiān)控、自動噴淋控制的措施，抑制揚塵效果最好[4]。

2 控制要求

噴淋設(shè)備是工地現(xiàn)場抑制揚塵的主要手段，主要包括霧炮機、圍擋噴淋和塔吊噴淋。根據(jù)各地政策法規(guī)，對噴淋開啟和關(guān)閉有不同的要求，有的按時間段，有的根據(jù)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的噴淋控制是專人每天按時開啟和關(guān)閉，通常是保安、值班員等。由于基本職業(yè)素養(yǎng)有限，要完全按照要求執(zhí)行到位很難保障。后面出現(xiàn)了一種給電磁閥加裝PLC，通過定時來開關(guān)的方案。但這種方案增加成本較多，且要修改開關(guān)策略相當(dāng)麻煩，普通的工地電工無法勝任。因此提出了一種設(shè)計一種低成本的、無源的、能夠方便修改噴淋策略的噴淋控制器的需求。

經(jīng)過前期的預(yù)研，已經(jīng)選定了采用LTE Cat.1和LoRa 技術(shù)組建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過Spring Boot 框架和Vue.js框架架設(shè)云平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)由云端平臺、客戶端、LoRa網(wǎng)關(guān)、噴淋控制器及軟件設(shè)計構(gòu)成，如圖2所示。

3.1 云端平臺

云端平臺做大的優(yōu)勢是可以讓用戶通過網(wǎng)頁直接進行數(shù)據(jù)的讀取和邊緣計算。用戶在平臺完成數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理及動作觸發(fā)等工作。數(shù)據(jù)可視化界面也可以生成互聯(lián)網(wǎng)的地址，通過鏈接進入云端畫面，可以實現(xiàn)實時查看數(shù)據(jù)的功能。也可以提供手機App供用戶隨時隨地查看工地環(huán)境數(shù)據(jù)，能讓用戶及時甚至提前做出判斷。

其中云服務(wù)器可以采購阿里云、騰訊云等的服務(wù)器，在其中部署MQTT服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并且運行定時程序。本系統(tǒng)選用的是阿里云，阿里云是面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的開放式云平臺，理論上可以適配多種通信協(xié)議，本設(shè)計采用的是MQTT協(xié)議。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺可以設(shè)計組態(tài)界面，使得揚塵控制系統(tǒng)更加可視化。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器選用的是MySQLv8.0.31；MQTT 服務(wù)器選用基于MQTT5.0 的EMQXv5.0.26；定時程序用C#語言開發(fā)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的設(shè)定在相應(yīng)的時間向MQTT服務(wù)器發(fā)送打開或者關(guān)閉某工地的某個噴淋設(shè)備的消息。

客戶端程序是基于WPF框架開發(fā)的一個應(yīng)用，用戶基于自身權(quán)限設(shè)定各工地噴淋控制器的啟停策略。客戶端可以運行在任何互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的終端上。

3.2 LoRa 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)收集揚塵傳感器信息，向噴淋控制器發(fā)送信息，以及與云平臺進行數(shù)據(jù)交換。LoRa網(wǎng)關(guān)是一個結(jié)合了LoRa模塊的PC，也可以是嵌入式系統(tǒng)。LoRa 技術(shù)通信覆蓋距離達(dá)30km、傳輸速率可達(dá)100bps、性價比高，可以滿足工地?fù)P塵系統(tǒng)的長距離信息的傳輸與控制。利用LoRa技術(shù)構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)包含了數(shù)據(jù)采集節(jié)點（為終端節(jié)點）和匯聚節(jié)點兩部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點實現(xiàn)揚塵傳感器多點的監(jiān)測，匯聚節(jié)點接收所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)成本低，布局方便，適合工地惡劣的工作環(huán)境，運行穩(wěn)定可靠。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點由STM32微控制器、揚塵傳感器和Cat.1組成。三者之間采用串口方式進行通信。匯聚節(jié)點初始化完成之后構(gòu)建MQTT鏈接包，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點連接到云平臺的云端設(shè)備。云端設(shè)備對數(shù)據(jù)進行解析、顯示和保存，并在異常時及時報警。所有節(jié)點采用干電池供電，無須另外布線，設(shè)備部署過程簡單方便。

另外，在網(wǎng)關(guān)上運行MQTT客戶端軟件，監(jiān)聽云服務(wù)器發(fā)來的消息，解析消息來向噴淋控制器發(fā)送控制信號。LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 揚塵傳感器

本設(shè)計采用揚塵傳感器如圖4所示。該傳感器具有牢固穩(wěn)定的金屬結(jié)構(gòu)，基于光學(xué)散射原理，搭載工業(yè)級長壽命線性激光器；能滿足室外環(huán)境-30～70℃溫度要求；采用泵吸式采樣方式，氣流穩(wěn)定，安全可靠；檢測量程為0～1000μg/m?可以實現(xiàn)顆粒物PM1.0、PM2.5、PM10、TSP質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確輸出；工作電流小于150mA。同時，兼容模擬信號輸出與串口輸出，可根據(jù)自身需求進行標(biāo)定。

3.4 噴淋控制器

噴淋控制器主要負(fù)責(zé)接收網(wǎng)關(guān)信號，驅(qū)動水泵或者電磁閥進行噴淋除塵。淋控制器是一個自帶電源的LoRa電磁閥，無須布線，方便安裝。以STM32單片機為核心，配置LoRa模塊、繼電器控制電路。電源部分采用大容量鋰電池，配置充放電電路，可以實現(xiàn)充電一次3個月以上的使用要求，非常適合塔吊這種不易布線的場合。

噴淋控制器由電源系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、電磁閥構(gòu)成，如圖5所示。電源系統(tǒng)采用12V鋰電池組給電磁閥供電、大容量18650電池組給通信控制系統(tǒng)供電，滿足單次充電3個月運行的要求。通信控制系統(tǒng)選用STM32F103C8T6位MCU核心，選用澤耀科技A39CT400A22S1a的LoRa模塊，配合繼電器控制電磁閥的通斷。外殼采用IP68的通用防水盒設(shè)計。

3.5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

基于LTE Cat.1和LoRa工地噴淋控制系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，軟件部分主要包括了數(shù)據(jù)采集、傳輸及顯示，軟件系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序主要是揚塵數(shù)據(jù)的采集和處理。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點主要是云組態(tài)畫面的設(shè)計，以及數(shù)據(jù)顯示及報警。

4 MQTT 通信

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/sub?scribe） 模式的“輕量級”通信協(xié)議，如圖7所示?？梢杂脴O少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通信協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。基于這些特點，MQTT技術(shù)可以很好地符合建筑工地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差、通信數(shù)據(jù)量小、硬件性能需求不大的應(yīng)用場景。

4.1 MQTT 服務(wù)器選型

MQTT應(yīng)用包含服務(wù)器和客戶端，其中MQTT服務(wù)器僅僅負(fù)責(zé)消息的轉(zhuǎn)發(fā)，部署完成即可，采取默認(rèn)設(shè)置，不需要做任何開發(fā)。本系統(tǒng)選用基于MQTT5.0 的EMQX v5.0.26 for Windows。

4.2 MQTT 客戶端開發(fā)

MQTT本身僅僅是一種消息轉(zhuǎn)發(fā)機制，業(yè)務(wù)邏輯主要由各個MQTT客戶端實現(xiàn)，本系統(tǒng)需要開發(fā)兩個MQTT客戶端應(yīng)用。一是運行在云服務(wù)器端的定時程序，該程序定時查詢數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)需要對某噴淋設(shè)備進行操作時，向MQTT服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)消息，MQTT服務(wù)器會將該消息轉(zhuǎn)發(fā)至需要操作的設(shè)備相關(guān)的網(wǎng)關(guān)。二是網(wǎng)關(guān)軟件，該軟件運行在工地現(xiàn)場的設(shè)備，本系統(tǒng)采用的是Windows10系統(tǒng)的PC機，配備LoRa模塊，根據(jù)實際情況也可以是成本更低的嵌入式系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)軟件主要接收已訂閱的和本工地相關(guān)的MQTT消息，解析消息內(nèi)容來對噴淋設(shè)備進行控制。上述兩個軟件都采用C#語言，基于.net Core 6.0框架開發(fā)[5]。

4.3 MQTT 消息的設(shè)計

本系統(tǒng)主要通過消息驅(qū)動實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，MQTT 消息內(nèi)容包含主題（Topic） 和負(fù)載（Load） 。本系統(tǒng)采用工地名稱作為主題，各個網(wǎng)關(guān)僅訂閱跟自身工地相關(guān)的消息，不會收到其他工地的消息。消息負(fù)載采用JSON格式，內(nèi)容包括需要控制的噴淋閥的ID，具體動作等。

5 總結(jié)與改進

本文設(shè)計了一套基于MQTT技術(shù)的智慧工地噴淋控制系統(tǒng)，用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)上任意設(shè)定工地噴淋系統(tǒng)的開關(guān)策略，相對于傳統(tǒng)的人工控制更穩(wěn)定可靠，節(jié)約人力。而且本系統(tǒng)具有相當(dāng)好的擴展性，只需根據(jù)要求引入新的業(yè)務(wù)邏輯可以輕松完成控制其他設(shè)備的要求。比如同樣的邏輯可以控制霧炮機的啟停，以及接入揚塵檢測設(shè)備可以實現(xiàn)噴淋-揚塵聯(lián)動等。本設(shè)計實現(xiàn)了工地?fù)P塵信息遠(yuǎn)距離傳輸和監(jiān)控的功能，并且系統(tǒng)功耗比較低。解決了傳統(tǒng)揚塵監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、傳輸距離短、智能化程度低等問題。系統(tǒng)結(jié)合了比較成熟的云平臺，簡化了設(shè)計開發(fā)過程，降低了開發(fā)成本。物聯(lián)網(wǎng)的普及也使得數(shù)據(jù)監(jiān)控更加靈活。

本系統(tǒng)的噴淋控制器，受到了無源設(shè)計要求的限制。如果可以采用有源設(shè)計，可以大大簡化電源部分，減少體積巨大的電池組，整體體積進一步優(yōu)化，且可以不受使用時間的限制。